Fraktionierte Destillation von Erdöl - Chemie
Fraktionierte Destillation von Erdöl - Chemie
Fraktionierte Destillation von Erdöl - Chemie
Einleitung
Erdöl ist ein wichtiger Rohstoff für Kraftstoffe, Kunststoffe, Lösungsmittel und viele weitere Produkte. Rohöl kann jedoch nicht direkt für all diese Zwecke genutzt werden. Es ist ein Gemisch aus sehr vielen Stoffen, vor allem aus Kohlenwasserstoffen. In einer Raffinerie wird dieses Gemisch zuerst durch die fraktionierte Destillation in Gruppen mit ähnlichen Siedebereichen getrennt.
Du lernst in diesem aiMOOC, wie eine Destillationskolonne arbeitet, warum sich die Stoffe an unterschiedlichen Höhen sammeln und welche Fraktionen entstehen. Außerdem untersuchst Du den Zusammenhang zwischen Molekülgröße, Siedetemperatur und Stoffeigenschaften.
Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du den Aufbau einer Destillationskolonne erklären, typische Erdölfraktionen ordnen und die Trennung mit den unterschiedlichen Siedebereichen begründen. Du kannst außerdem zwischen einem physikalischen Trennverfahren und einer chemischen Stoffumwandlung unterscheiden.
Fachlicher Input
Rohöl ist ein Stoffgemisch
Rohöl enthält viele verschiedene Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe. In kleineren Mengen kommen auch Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen sowie Wasser, Salze und Spuren von Metallen vor. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Lagerstätte ab.
Für unverzweigte Alkane gilt die allgemeine Formel:
Mit wachsender Kohlenstoffkette nehmen im Allgemeinen die zwischenmolekularen Anziehungskräfte zu. Dadurch steigen meist die Siedetemperatur und die Viskosität. Gleichzeitig sinkt die Flüchtigkeit.
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Merksatz: Kurzkettige Kohlenwasserstoffe sieden meist bei niedrigeren Temperaturen als langkettige Kohlenwasserstoffe. Verzweigungen und die genaue Molekülstruktur beeinflussen die Siedetemperatur ebenfalls.
Das Grundprinzip der Destillation
Bei einer Destillation wird ein flüssiges Gemisch erhitzt. Leichter siedende Bestandteile gelangen bevorzugt in die Gasphase. Beim Abkühlen kondensieren sie wieder. Eine einfache Destillation eignet sich vor allem dann, wenn die Siedetemperaturen deutlich auseinanderliegen.
Rohöl enthält jedoch sehr viele Stoffe mit teilweise ähnlichen Siedetemperaturen. Deshalb wird es nicht nur einmal verdampft und kondensiert. In einer hohen Kolonne laufen viele Verdampfungs- und Kondensationsschritte hintereinander ab. Dieser Vorgang wird als fraktionierte Destillation oder Rektifikation bezeichnet.
Ablauf in der Raffinerie
Vor der Destillation werden Wasser und Salze weitgehend entfernt. Anschließend wird das Rohöl in Wärmetauschern und einem Ofen stark erhitzt. Das heiße Gemisch gelangt in die untere Zone der atmosphärischen Destillationskolonne.
In der Kolonne herrscht ein Temperaturgefälle:
- Unten in der Kolonne: hohe Temperatur; schwer siedende Bestandteile bleiben flüssig oder kondensieren früh.
- Oben in der Kolonne: niedrigere Temperatur; leicht siedende Bestandteile steigen weiter auf.
- Böden und Packungen: Sie vergrößern den Kontakt zwischen aufsteigendem Dampf und herabfließender Flüssigkeit.
- Seitenabzüge: Fraktionen werden an passenden Höhen aus der Kolonne entnommen.
Die Stoffe werden nicht in einzelne Reinstoffe getrennt. Es entstehen Fraktionen. Jede Fraktion ist selbst ein Gemisch aus Stoffen mit ähnlichem Siedebereich.
Was geschieht in der Kolonne?
Beim Aufsteigen kühlt der Dampf ab. Stoffe mit hohen Siedetemperaturen kondensieren schon im unteren Bereich. Stoffe mit niedrigeren Siedetemperaturen bleiben länger gasförmig und gelangen weiter nach oben. Auf den Böden verdampft ein Teil der Flüssigkeit erneut, während ein Teil des Dampfes kondensiert. Durch diese wiederholten Gleichgewichtsschritte wird die Trennung verbessert.
Wichtig: Die Destillation ist im Idealfall ein physikalisches Trennverfahren. Die Moleküle werden dabei nicht gezielt in andere Moleküle umgewandelt. Beim Cracken ist das anders: Dort werden große Kohlenwasserstoffmoleküle chemisch in kleinere Moleküle gespalten.
Typische Fraktionen
Die folgenden Werte sind vereinfachte Richtwerte. Siedebereiche, Bezeichnungen und Zusammensetzungen können sich je nach Rohöl und Raffinerie überschneiden.
| Bereich der Kolonne | Fraktion | Typischer Siedebereich | Beispiele für Nutzung oder Weiterverarbeitung |
|---|---|---|---|
| Kopf | Raffineriegase | unter etwa 30 °C | Flüssiggas, Heizgas, Ausgangsstoffe der Chemie |
| oberer Bereich | Leichtbenzin und Naphtha | etwa 30 bis 180 °C | Ottokraftstoff-Komponenten, Lösungsmittel, Rohstoff für die Petrochemie |
| mittlerer Bereich | Kerosin | etwa 150 bis 250 °C | Flugturbinenkraftstoff nach weiterer Aufbereitung |
| mittlerer bis unterer Bereich | Gasöl | etwa 200 bis 350 °C | Dieselkraftstoff und Heizöl nach weiterer Aufbereitung |
| unterer Bereich | schwere Gasöle und Schmierölfraktionen | etwa 300 bis 400 °C | Schmierstoffe, Wachse, Einsatzstoff für weitere Verfahren |
| Sumpf | Rückstand | oberhalb des atmosphärisch gut trennbaren Bereichs | Bitumen, Schweröl oder Einsatzstoff der Vakuumdestillation |
Fraktionen sind noch keine fertigen Verkaufsprodukte. Meist folgen Entschwefelung, Cracken, Reformieren, Mischen und Qualitätskontrollen.
Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften
Kurzkettige Fraktionen sind meist dünnflüssiger, flüchtiger und leichter entzündbar. Langkettige Fraktionen sind meist zähflüssiger, weniger flüchtig und haben höhere Siedebereiche. Der Trend lässt sich vor allem mit stärker werdenden London-Kräften bei größeren Molekülen erklären.
Eine bloße Zuordnung nach Kettenlänge bleibt jedoch ein Modell. Erdölfraktionen enthalten unterschiedliche Molekülformen, und ihre Siedebereiche überlappen.
Vakuumdestillation
Sehr schwere Rückstände würden bei normalem Luftdruck erst bei hohen Temperaturen sieden. Dabei könnten Moleküle thermisch zerfallen. In der Vakuumdestillation wird der Druck gesenkt. Dadurch sinken die Siedetemperaturen, und schwere Fraktionen können schonender getrennt werden.
Die Vakuumdestillation ist daher eine Fortsetzung der Rohölverarbeitung. Sie ist nicht mit dem Cracken zu verwechseln: Auch hier steht zunächst die physikalische Trennung im Mittelpunkt.
Industrielle Dimension
Industrielle Destillationskolonnen sind große, kontinuierlich betriebene Anlagen. Rohöl strömt ständig hinein, während Fraktionen fortlaufend abgezogen werden. Wärmerückgewinnung verbessert die Energieeffizienz. Mess- und Regelsysteme überwachen unter anderem Temperatur, Druck, Stoffströme und Füllstände.
Sicherheit im Chemieunterricht
Rohöl und viele seiner Dämpfe können gesundheitsgefährdend und leicht entzündlich sein. Eine echte Rohöldestillation gehört deshalb nicht in einen ungesicherten Schülerversuch. Im Unterricht werden Modelle, Videos, Simulationen oder ausdrücklich zugelassene Ersatzgemische verwendet. Experimente dürfen nur nach Gefährdungsbeurteilung und unter Aufsicht einer Fachkraft stattfinden.
Umwelt und Zukunft
Erdöl ist ein fossiler Rohstoff. Förderung, Transport, Raffination und Verbrennung belasten Umwelt und Klima. Bei der Verbrennung von Erdölprodukten entsteht Kohlenstoffdioxid. Raffinerien benötigen außerdem viel Energie und müssen Emissionen sowie Abwässer kontrollieren.
Ein nachhaltigerer Umgang umfasst Energieeinsparung, langlebige Produkte, Recycling, die Verringerung fossiler Kraftstoffe und die Entwicklung alternativer Rohstoffe. Die fraktionierte Destillation bleibt dennoch ein wichtiges Beispiel dafür, wie Stoffeigenschaften für technische Trennverfahren genutzt werden.
Zusammenfassung
Die fraktionierte Destillation trennt Rohöl nach Siedebereichen. In der Kolonne ist es unten heiß und oben kühler. Hoch siedende Bestandteile kondensieren weiter unten, niedrig siedende weiter oben. Die entstehenden Fraktionen sind Gemische und werden häufig noch chemisch weiterverarbeitet. Die Destillation selbst ist ein physikalisches Trennverfahren.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Warum kann Rohöl durch fraktionierte Destillation getrennt werden? (Die Bestandteile besitzen unterschiedliche Siedebereiche) (!Alle Bestandteile haben dieselbe Dichte) (!Rohöl besteht nur aus einem Reinstoff) (!Die Moleküle werden vollständig verbrannt)
Wie verändert sich die Temperatur in einer Destillationskolonne von unten nach oben? (Sie nimmt ab) (!Sie nimmt ständig zu) (!Sie bleibt überall gleich) (!Sie wechselt zufällig)
Was ist eine Erdölfraktion? (Ein Gemisch von Stoffen mit ähnlichem Siedebereich) (!Ein einzelnes vollkommen reines Alkan) (!Ein festgelegtes chemisches Element) (!Ein Produkt der vollständigen Verbrennung)
Wo kondensieren besonders hoch siedende Bestandteile? (Im unteren Bereich der Kolonne) (!Nur außerhalb der Raffinerie) (!Am Kolonnenkopf) (!Im Kühlturm der Stromerzeugung)
Welche Stoffgruppe bildet den Hauptanteil von Rohöl? (Kohlenwasserstoffe) (!Salze) (!Metalle) (!Proteine)
Was bewirken Böden oder Packungen in der Kolonne? (Sie verbessern den Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit) (!Sie verbrennen alle Rückstände) (!Sie erzeugen Sauerstoff) (!Sie machen jede Fraktion zu einem Reinstoff)
Welche Aussage zur Destillation ist richtig? (Sie ist vor allem ein physikalisches Trennverfahren) (!Sie ist eine vollständige Verbrennung) (!Sie erzeugt aus jedem Stoff Wasser) (!Sie spaltet gezielt alle langen Moleküle)
Warum wird für schwere Rückstände eine Vakuumdestillation genutzt? (Der niedrigere Druck senkt die Siedetemperaturen) (!Der höhere Druck friert das Gemisch ein) (!Das Vakuum erhöht die Molekülmasse) (!Der Sauerstoffgehalt steigt stark an)
Welche Fraktion wird typischerweise nahe dem Kolonnenkopf abgezogen? (Raffineriegase) (!Bitumen) (!Schwere Schmierölfraktionen) (!Atmosphärischer Rückstand)
Welche Aussage beschreibt Cracken im Unterschied zur Destillation? (Beim Cracken werden Moleküle chemisch gespalten) (!Beim Cracken werden Stoffe nur nach Farbe sortiert) (!Beim Cracken bleibt jedes Molekül unverändert) (!Beim Cracken wird ausschließlich Wasser gefiltert)
Memory
| Rohöl | Vielstoffgemisch |
| Kolonnenkopf | niedrige Temperatur |
| Kolonnensumpf | hohe Temperatur |
| Fraktion | ähnlicher Siedebereich |
| Kondensation | gasförmig zu flüssig |
| Verdampfung | flüssig zu gasförmig |
| Vakuum | verringerter Druck |
| Cracken | chemische Spaltung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Raffineriegase | Fraktion am Kolonnenkopf |
| Naphtha | Ausgangsstoff für Kraftstoffe und Petrochemie |
| Kerosin | Grundlage für Flugturbinenkraftstoff |
| Gasöl | Grundlage für Diesel und Heizöl |
| Rückstand | schwere Stoffe im Kolonnensumpf |
...
Kreuzworträtsel
| Rohöl | Welches natürliche Stoffgemisch wird in der Raffinerie getrennt? |
| Kolonne | Wie heißt der hohe Apparat für die fraktionierte Trennung? |
| Kondensation | Wie heißt der Übergang von gasförmig zu flüssig? |
| Fraktion | Wie heißt ein Gemisch mit ähnlichem Siedebereich? |
| Siedepunkt | Welche Temperatur kennzeichnet das Sieden eines Reinstoffs? |
| Kohlenwasserstoff | Wie heißt eine Verbindung nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz Erdöl: Erstelle ein Begriffsnetz mit Rohöl, Fraktion, Siedebereich, Verdampfung und Kondensation.
- Kolonnenmodell: Zeichne eine Destillationskolonne und markiere oben und unten die Temperaturverhältnisse.
- Fraktionen im Alltag: Fotografiere oder skizziere vier Alltagsprodukte, die mit Erdölfraktionen zusammenhängen, und beschreibe ihre Nutzung.
- Erklärkarte Destillation: Gestalte eine Lernkarte, die den Unterschied zwischen Verdampfen und Kondensieren zeigt.
Standard
- Versuchsplanung Destillation: Plane mit einer Lehrkraft einen sicheren Modellversuch mit einem zugelassenen Flüssigkeitsgemisch und formuliere Beobachtungskriterien.
- Fraktionentabelle: Vergleiche drei Quellen zu Siedebereichen und erkläre, warum die Angaben nicht völlig identisch sind.
- Erklärvideo Rohöldestillation: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo mit einem selbst gebauten Kolonnenmodell.
- Stoffeigenschaften vergleichen: Ordne ausgewählte Alkane nach Siedetemperatur, Viskosität und Flüchtigkeit und begründe Deine Reihenfolge.
Schwer
- Energiebilanz Raffinerie: Entwickle ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Wärmerückgewinnung und erläutere mögliche Energiesparmaßnahmen.
- Destillation und Cracken: Erstelle eine Gegenüberstellung von physikalischer Trennung und chemischer Umwandlung mit passenden Teilchenmodellen.
- Vakuumdestillation erklären: Nutze das Teilchenmodell, um zu erklären, warum ein geringerer Außendruck die Siedetemperatur senkt.
- Zukunft der Petrochemie: Entwickle ein begründetes Konzept, wie fossile Rohstoffe in einem ausgewählten Produktbereich reduziert oder ersetzt werden könnten.
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Lernkontrolle
- Kolonnenanalyse: Erkläre anhand eines unbekannten Kolonnenschemas, an welcher Stelle eine leicht siedende und eine schwer siedende Fraktion zu erwarten ist.
- Fehlerdiagnose Destillation: Eine Kolonne hat fast überall dieselbe Temperatur. Beurteile, wie sich dies auf die Trennleistung auswirkt.
- Modellkritik: Prüfe die Aussage „Jede Fraktion besteht aus genau einem Alkan“ und formuliere eine fachlich korrekte Verbesserung.
- Verfahrenswahl: Entscheide für ein hitzeempfindliches, hoch siedendes Gemisch zwischen Normaldruck- und Vakuumdestillation und begründe die Entscheidung.
- Eigenschaftsprognose: Vergleiche zwei unbekannte Kohlenwasserstofffraktionen anhand von Viskosität und Flüchtigkeit und leite ihre ungefähre Position in der Kolonne ab.
- Nachhaltigkeitsbewertung: Beurteile eine Maßnahme zur Verringerung des Erdölverbrauchs unter chemischen, ökologischen und gesellschaftlichen Gesichtspunkten.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- den Aufbau und das Temperaturgefälle einer Destillationskolonne erklären kannst,
- Verdampfung und Kondensation auf Teilchenebene beschreiben kannst,
- Fraktionen nach ihren Siedebereichen und Eigenschaften ordnen kannst,
- zwischen Destillation, Vakuumdestillation und Cracken unterscheiden kannst,
- ein Schema, Diagramm oder Modell fachsprachlich auswerten kannst,
- Sicherheits- und Umweltaspekte begründet einbeziehen kannst.
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